振动翼推进及干扰效应非定常流体动力研究

【摘要】：在空气动力学和水动力学领域，鸟类的飞行和鱼类的游动一直在启迪并指引着空中飞行器和水下运载器的发展方向，然而有趣的是，这些人造机器与其自然模拟物相比，在智能、效率、灵活性、适应性和功能复杂性方面显得非常原始。人类对振动翼推进器的兴趣源于对鸟类和鱼类的长期观察，所有这些有翼生物均采用某种振动翼机制来产生推力，随着发展微型飞行器和水下无人作战平台的需要，振动翼推进及翼面干扰效应近年来仍然受到人们极大地关注。 本文基于不可压缩、无粘性、无旋流动假设，首先给出描述机翼非定常运动产生扰动流场的控制方程和边界条件。在惯性坐标系下应用面元法求解控制方程，对二维机翼表面分布强度线性变化的涡，用离散点涡模拟尾涡，用与尾缘相连的常值涡片模拟每一时间步尾涡下泄，涡片的长度和方向迭代确定；对三维机翼表面分布常值源和常值面偶极，尾涡面上分布常强度面偶极，指定当前时间步下泄尾涡面长度和方向。尾涡诱导速度计算采用消除奇异性公式，尾涡以当地流体述度运动。 应用线性涡分布的面元法模拟了二维机翼的突然起动问题，将面元法计算升力系数与Wagner函数比较，将升沉运动、俯仰运动、升沉和俯仰组合运动的面元法计算升力系数与Theodorsen函数对比，所有小扰动情况的计算结果与经典线性理论较好地符合，证明了二维数值模型的可靠性。检验了计算点涡诱导速度公式中涡团半径对计算结果的影响。讨论了约化频率、无因次升沉运动幅度、俯仰运动幅度、升沉和俯仰运动的相位差、尾流时均速度剖面、尾涡卷起程度对振动翼推力和推进效率的影响。 应用线性涡分布的面元法模拟了二维相互靠近双翼的突然起动问题，讨论了前翼起动涡对后翼升力时间历程的影响。考虑了垂向间距对反相对称振动双翼推力和推进效率的增强效应，振动翼尾涡能量的利用。重点探讨了不同空间位置、机翼之间运动相位差对前后翼推力和推进效率的影响，分析了产生有利干扰、不利干扰的空间位置和相位差，尾流时均速度剖面和尾涡相互作用机制与后翼推进性能的关系。 哈尔滨工程大学博士学位论文 应用三维数值模型模拟不同展弦比机翼的突然起动问题，将计算升力系 数与线性理论比较，检验算法的可行性。进而研究了约化频率、无因次升沉 运动幅度、俯仰运动幅度、升沉和俯仰运动相位差对展弦比AR=2和AR=6 机翼推进性能的影响。在三维干扰问题中，着重分析了后翼推进性能对流向 间足巨、前后翼之间运动相位差的依赖性，比较研究了典;垫的不同尾涡相互作 用机制与后翼推进性能的关系。‘ 变’ 关键词振动翼;面元法;推进性能;’尾涡相互作用机制;干扰效应;